模块化电解槽、电解槽系统及制作方法

技术领域

本发明涉及氢能源技术领域，尤其涉及一种模块化电解槽、电解槽系统及制作方法。

背景技术

氢能以其来源广、可储存、燃烧热值高和无碳排放量等特点，被广泛应用于钢铁、电子和医疗等领域。目前，氢气的多种制取方式中，通过电解水制取氢气的方式最为环保，被认为是未来制氢的必然发展方向。

电解水制氢中的关键设备是电解槽，而电解槽中的关键部件之一为双极板。双极板不仅用于支撑电极板和隔膜，还用于为电解后的气液两相流体提供流场，确保电解后的气液两相流体的流畅度。现有技术中的PEM电解水制氢技术，不同于碱性电解水制氢技术，而用纯水作为电解水制氢的循环液体，它最大的优势提高了电流密度，大幅降低了耗电量，但是，由于PEM电解槽电解水制氢是呈酸性状态下工作，需要用铂金属作催化剂，另外采用质子膜，其价格也较昂贵，再加催化剂极板的成形工艺较复杂，使之PEM电解槽的制造成本大幅度提高。故，寻找一种能够降低耗电量，降低电解水制氢成本的制氢设备，是发展电解水制氢技术的关键攻关课题。

发明内容

本发明提供一种模块化电解槽、电解槽系统及制作方法，用以解决现有技术中电解水制氢存在的耗电量高、制氢成本高的缺陷，通过对电解槽的模块化优化，降低制氢的耗电量，并通过供电模式的优化，电源所承载电流量相对较低，降低了供电单元设计和制造成本。

本发明提供一种模块化电解槽，包括：依次排列的第一端板模块组合体、第一单极框模块组合体、单数个双极框模块组合体、第二单极框模块组合体和第二端板模块组合体；

所述双极框模块组合体包括位于中间位置的中间双极框模块组合体，所述中间双极框模块组合体的端部连接有第一接线柱；所述第一单极框模块组合体的端部连接有第二接线柱；所述第二单极框模块组合体的端部连接有第三接线柱；

其中，所述第二接线柱与所述第三接线柱的极性相同，且与所述第一接线柱的极性相反。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述中间双极框模块组合体包括：

中间双极框；

第一阳极板，所述第一阳极板压紧设于所述中间双极框的一侧，以形成阳极电解小室；

第一隔膜，所述第一隔膜压紧设于所述第一阳极板的外侧；

第二阳极板，所述第二阳极板压紧设于所述中间双极框的另一侧，以形成阳极电解小室。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，位于靠近所述第二阳极板一侧的所述双极框模块组合体包括：

第一双极框；

第一阴极板，所述第一阴极板压紧设于所述第一双极框靠近所述第二阳极板的一侧，以形成阴极电解小室；

第二隔膜，所述第二隔膜压紧设于所述第一阴极板的外侧；

第三阳极板，所述第三阳极板压紧设于所述第一双极框远离所述第二阳极板的一侧，以形成阳极电解小室；

位于靠近所述第一隔膜一侧的所述双极框模块组合体包括：

第二双极框；

第二阴极板，所述第二阴极板压紧设于所述第二双极框靠近所述第一隔膜的一侧，以形成阴极电解小室；

第四阳极板，所述第四阳极板压紧设于所述第二双极框远离所述第一隔膜的一侧，以形成阳极电解小室；

第三隔膜，所述第三隔膜压紧设于所述第四阳极板的外侧。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述第一单极框模块组合体包括：

第一单极框；

第三阴极板，所述第三阴极板压紧设于所述第一单极框靠近所述第三阳极板的一侧，以形成阴极电解小室；

第四隔膜，所述第四隔膜压紧设于对应的所述第三阴极板与所述第三阳极板之间；

所述第二单极框模块组合体包括：

第二单极框；

第四阴极板，所述第四阴极板压紧设于所述第二单极框靠近所述第三隔膜的一侧，以形成阴极电解小室。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述中间双极框、所述第一双极框和所述第二双极框一侧的外缘设置有第一凹槽，用于安装密封垫片；另一侧的内缘设置有第二凹槽，用于安装隔膜和电极板。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述第一单极框一侧的外缘设置有第三凹槽，另一侧的内缘设置有第四凹槽；所述第二单极框两侧的外缘设置有第五凹槽；其中，

所述第三凹槽用于安装密封垫片，所述第四凹槽用于安装所述第三阴极板和所述第四隔膜，所述第五凹槽用于安装密封垫片，且所述第四阴极板与对应的所述密封垫片密封连接。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述中间双极框、所述第一双极框、所述第二双极框、所述第一单极框、所述第二单极框的一端设有相互连通的排气口，所述中间双极框、所述第一双极框、所述第二双极框、所述第一单极框、所述第二单极框的另一端设有相互连通的进液口；其中，

所述排气口和所述进液口分别与相应的所述阴极电解小室和所述阳极电解小室连通。

根据本发明提供的一种模块化电解槽，所述第一端板模块组合体包括：

第一端板；

第一绝缘组件，所述第一绝缘组件设于所述第一端板靠近所述第一单极框模块组合体的一侧；

所述第二端板模块组合体包括：

第二端板；

第二绝缘组件，所述第二绝缘组件设于所述第二端板靠近所述第二单极框模块组合体的一侧。

本发明还提供一种电解槽系统，包括：多个本发明实施例中的模块化电解槽，多个所述模块化电解槽串联连接。

本发明还提供一种模块化电解槽的制作方法，包括：

将中间双极框、第一双极框、第二双极框、第一单极框、第二单极框、第一端板、第二端板、阳极板、隔膜、阴极板、绝缘组件和密封垫片依次摆放至分料平台上；

通过人工智能操作平台识别分料平台上的零件，并基于待组装的模块组合体所需零件，控制机械手抓取分料平台上对应的零件并放置于对应的装配平台上；

在装配平台上，通过翻转零件，将阳极板、隔膜、阴极板分别对应组装到中间双极框、第一双极框和第二双极框的对应侧面；

在装配平台上，将绝缘组件对应组装到第一端板和第二端板的一侧面上；

通过检测平台检测装配完成的模块组合体是否合格，针对检测不合格的模块组合体，送至产品待查区，进行人工检测。

本发明提供的一种模块化电解槽，通过模块化设计，将第一端板模块组合体、第一单极框模块组合体、单数个双极框模块组合体、第二单极框模块组合体和第二端板模块组合体依次排列组合，采用单极框模块与多个双极框模块组合的形式，优化结构，合理布局，降低电压损失，降低制氢的耗电量；且采用了特殊的双极框模块组合体，降低了电解电阻，优化了电解液的循环梁；采用了“一正二负”的供电模式，使供电电源得以合理分流，提高了供电系统的承载能力，降低了供电单元设计和制造成本。

进一步地，本发明提供还一种电解槽系统，由于包括了上述实施例中的模块化电解槽，因此，具有如上同样的优势。

更进一步地，本发明提供的一种模块化电解槽的制作方法，采用了人工智能生产装置和方法进行生产制造，可针对本发明实施例中的模块化电解槽进行生产制造，可大幅度提高产能，降低制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的模块化电解槽的结构示意图；

图2是本发明提供的中间双极框模块组合体的结构示意图；

图3是本发明提供的第一双极框模块组合体的结构示意图；

图4是本发明提供的第二双极框模块组合体的结构示意图；

图5是本发明提供的第一单极框模块组合体的结构示意图；

图6是本发明提供的第二单极框模块组合体的结构示意图；

图7是本发明提供的第一端板模块组合体的结构示意图；

图8是本发明提供的中间双极框的结构示意图；

图9是本发明提供的第一单极框的结构示意图；

图10是本发明提供的第二单极框的结构示意图；

图11是本发明提供的第一端板的结构示意图。

附图标记：

100：第一端板模块组合体；200：第一单极框模块组合体；300：双极框模块组合体；310：中间双极框模块组合体；320：第一双极框模块组合体；330：第二双极框模块组合体；400：第二单极框模块组合体；500：第二端板模块组合体；601：第一接线柱；602：第二接线柱；603：第三接线柱；701：阴极电解小室；702：阳极电解小室；703：第一凹槽；704：第二凹槽；705：第三凹槽；706：第四凹槽；707：第五凹槽；800：密封垫片；

311：中间双极框；312：第一阳极板；313：第一隔膜；314：第二阳极板；321：第一双极框；322：第一阴极板；323：第二隔膜；324：第三阳极板；331：第二双极框；332：第二阴极板；333：第四阳极板；334：第三隔膜；201：第一单极框；202：第三阴极板；203：第四隔膜；401：第二单极框；402：第四阴极板；101：第一端板；102：第一绝缘组件；502：第二绝缘组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图11描述本发明的一种模块化电解槽。该模块化电解槽包括：依次排列的第一端板模块组合体100、第一单极框模块组合体200、单数个双极框模块组合体300、第二单极框模块组合体400和第二端板模块组合体500。

具体来说，单数个双极框模块组合体300可以选用一个或三个以上，以下实施例以设置三个以上单数个双极框模块组合体300为例进行说明。如图1所示，第一端板模块组合体100、第一单极框模块组合体200、单数个双极框模块组合体300、第二单极框模块组合体400和第二端板模块组合体500从左往右依次设置。

其中，双极框模块组合体300包括位于中间位置的中间双极框模块组合体310，中间双极框模块组合体310的端部连接有第一接线柱601；第一单极框模块组合体200的端部连接有第二接线柱602；第二单极框模块组合体400的端部连接有第三接线柱603；第二接线柱602与第三接线柱603的极性相同，且与第一接线柱601的极性相反。

在本发明的实施例中，中间双极框模块组合体310的两侧分别设置相同数量的双极框模块组合体300，以图1为例，中间双极框模块组合体310的左右两侧分别设置四个双极框模块组合体300，也即双极框模块组合体300的数量为设置九个。在以下本实施例中，采用了“一正二负”的供电模式，也即第一接线柱601为正极接线柱，第二接线柱602与第三接线柱603均为负极接线柱。

本实施例在电解水制氢过程中，电解液通过电解液进口进入到各个第一单极框模块组合体200、双极框模块组合体300和第二单极框模块组合体400内部的电解槽中，通过第一接线柱601向中间双极框模块组合体310通正电，第二接线柱602和第三接线柱603分别向第一单极框模块组合体200和第二单极框模块组合体400通负电，相当于左右两侧的双极框模块组合体300并联连接在中间双极框模块组合体310上，降低了电解电阻，实现闭合电路，利用中间双极框模块组合体310内部的电解槽进行电解水制氢，并从对应的排气口排出氢气和氧气。

进一步地，第一单极框模块组合体200、双极框模块组合体300和第二单极框模块组合体400均采用环形极框与极板的一体成型方式，不同之处在于：双极框模块组合体300采用了双极板，而第一单极框模块组合体200和第二单极框模块组合体400采用了单极板。环形极框具有进液口，用于将电解液通入到电解槽中，环形极框还具有左右两个排气口，分别用于排出电解水反应后产生的氢气和氧气；极板上具有电解槽，双极板在其两侧分别具有电解槽，单极板仅在一侧具有电解槽；中间双极框模块组合体310的双极板与其他双极板的区别在于：中间双极框模块组合体310的双极板两侧为相同极性的电解槽，本实施例中双极板两侧为均为阳极电解槽。

本发明提供的一种模块化电解槽，通过模块化设计，将第一端板模块组合体100、第一单极框模块组合体200、单数个双极框模块组合体300、第二单极框模块组合体400和第二端板模块组合体500依次排列组合，采用单极框模块与多个双极框模块组合的形式，优化结构，合理布局，降低电压损失，降低制氢的耗电量；且采用了特殊的双极框模块组合体300，降低了电解电阻，优化了电解液的循环量；采用了“一正二负”的供电模式，使供电电源得以合理分流，提高了供电系统的承载能力，降低了供电单元设计和制造成本。

在本发明的其中一个实施例中，如图2所示，中间双极框模块组合体310包括：中间双极框311、第一阳极板312、第一隔膜313和第二阳极板314。其中，第一阳极板312压紧设于中间双极框311的一侧，以形成阳极电解小室702；第一隔膜313压紧设于第一阳极板312的外侧；第二阳极板314压紧设于中间双极框311的另一侧，以形成阳极电解小室702。在本实施例和以下实施例中，以第一接线柱601为正极接线柱，第二接线柱602与第三接线柱603均为负极接线柱为例进行说明，与第一接线柱601连接的中间双极框311的两侧均设置有阳极板，在其两侧均形成阳极电解小室702，第一隔膜313压紧设置在其中一侧的阳极板的外侧。可以理解的是，电解液进入到阳极电解小室702，阳极板通电并形成通路后，在阳极电解小室702中，发生电解水阳极反应，并制得氧气，通过氧气排出口排出。

在本发明的其中一个实施例中，位于靠近第二阳极板314一侧的双极框模块组合体300，简称为第一双极框模块组合体320，也即如3所示的第一双极框模块组合体320，其包括：第一双极框321、第一阴极板322、第二隔膜323和第三阳极板324；位于靠近第一隔膜313一侧(位于远离第二阳极板314一侧)的双极框模块组合体300，简称为第二双极框模块组合体330，也即如图4所示的第二双极框模块组合体330，其包括：第二双极框331、第二阴极板332、第四阳极板333和第三隔膜334。

具体地，第一阴极板322压紧设于第一双极框321靠近第二阳极板314的一侧，以形成阴极电解小室701；第二隔膜323压紧设于第一阴极板322的外侧；第三阳极板324压紧设于第一双极框321远离第二阳极板314的一侧，以形成阳极电解小室702。第一阴极板322、第二隔膜323和阳极板(第二阳极板314或相邻侧的双极框模块组合体300的第三阳极板324)压紧形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢；第三阳极板324与其相邻侧的双极框模块组合体300(或单极框模块组合体)的相应阴极板和隔膜形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢。可以理解的是，电解液进入到阴极电解小室701，阴极板通电并形成通路后，在阴极电解小室701中，发生电解水阴极反应，并制得氢气，通过氢气排出口排出。

具体地，第二阴极板332压紧设于第二双极框331靠近第一隔膜313的一侧，以形成阴极电解小室701；第四阳极板333压紧设于第二双极框331远离第一隔膜313的一侧，以形成阳极电解小室702；第三隔膜334压紧设于第四阳极板333的外侧。第二阴极板332、隔膜(第一隔膜313或相邻侧的双极框模块组合体300的第三隔膜334)和阳极板(第一阳极板312或相邻侧的双极框模块组合体300的第四阳极板333)压紧形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢；第四阳极板333、第三隔膜334与其相邻侧的双极框模块组合体300(或单极框模块组合体)的相应阴极板形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢。

在本发明的其中一个实施例中，如图5所示，第一单极框模块组合体200包括：第一单极框201、第三阴极板202和第四隔膜203；如图6所示，第二单极框模块组合体400包括：第二单极框401和第四阴极板402。

具体地，第三阴极板202压紧设于第一单极框201靠近第三阳极板324的一侧，以形成阴极电解小室701；第四隔膜203压紧设于对应的第三阴极板202与第三阳极板324之间。第三阴极板202、第四隔膜203与其相邻侧的双极框模块组合体300的对应第三阳极板324形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢。

具体地，第四阴极板402压紧设于第二单极框401靠近第三隔膜334的一侧，以形成阴极电解小室701。第四阴极板402与其相邻侧的双极框模块组合体300的对应第三隔膜334和第四阳极板333形成电解单元，并与其左右两侧的阴极电解小室701和阳极电解小室702配合进行电解水制氢。

在本发明的其中一个实施例中，中间双极框311、第一双极框321和第二双极框331一侧的外缘设置有第一凹槽703，用于安装密封垫片800；另一侧的内缘设置有第二凹槽704，用于安装隔膜和电极板。如图8所示，其中，中间双极框311、第一双极框321和第二双极框331为相同结构，其第一凹槽703内安装密封垫片800，且第二阳极板314、第三阳极板324和第二阴极板332分别与对应的密封垫片800密封连接，第二凹槽704为阶梯型凹槽，分别安装极板和隔膜，便于组装。具体来说，中间双极框311的第二凹槽704内安装第一隔膜313和第一阳极板312；第一双极框321的第二凹槽704内安装第二隔膜323和第一阴极板322；第二双极框331的第二凹槽704内安装第三隔膜334和第四阳极板333。

在本发明的其中一个实施例中，如图9所示，第一单极框201一侧的外缘设置有第三凹槽705，另一侧的内缘设置有第四凹槽706；如图10所示，第二单极框401两侧的外缘设置有第五凹槽707。其中，第三凹槽705用于安装密封垫片800，第四凹槽706用于安装第三阴极板202和第四隔膜203，第五凹槽707用于安装密封垫片800，且第四阴极板402与对应的密封垫片800密封连接。具体来说，第四凹槽706为阶梯型凹槽，分别安装第三阴极板202和第四隔膜203，便于组装。

在本发明的其中一个实施例中，中间双极框311、第一双极框321、第二双极框331、第一单极框201、第二单极框401的一端设有相互连通的排气口，中间双极框311、第一双极框321、第二双极框331、第一单极框201、第二单极框401的另一端设有相互连通的进液口；其中，排气口和进液口分别与相应的阴极电解小室701和阳极电解小室702连通。具体来说，电解液由进液口进入到各自对应的阴极电解小室701和阳极电解小室702内，经过电解水反应后，制得的氢气和氧气分别从排气口的两端排出。

在本发明的其中一个实施例中，如图11所示，第一端板模块组合体100包括：第一端板101和第一绝缘组件102；第二端板模块组合体500包括：第二端板和第二绝缘组件502。其中，第一绝缘组件102设于第一端板101靠近第一单极框模块组合体200一侧的凹槽中；第二端板模块组合体500和第一端板模块组合体100结构相同，仅是将第一端板模块组合体100翻转180°进行安装。第二绝缘组件502设于第二端板靠近第二单极框模块组合体400的一侧。具体来说，第一端板101和第二端板均设置排气口和电解液进口，并分别与第一单极框201和第二单极框401的排气口和电解液相互连通；在第一端板101和第二端板上设置的绝缘组件，保证电解水反应不漏电，提高安全系数，优选地，第一绝缘组件102和第二绝缘组件502可分别采用绝缘片。

本发明还提供一种电解槽系统。该电解槽系统包括：多个如本发明实施例中的模块化电解槽，多个模块化电解槽串联连接。在本实施例中，采用如上述实施例中的多个模块化电解槽在电解槽总装车间进行串联式连接组成电解水制氢的电解槽系统。

本发明提供的一种电解槽系统，由于包括了上述实施例中的模块化电解槽，因此，具有如上同样的优势。

本发明还提供一种模块化电解槽的制作方法。该模块化电解槽的制作方法包括如下步骤：

S1、将中间双极框311、第一双极框321、第二双极框331、第一单极框201、第二单极框401、第一端板101、第二端板、阳极板、隔膜、阴极板、绝缘组件和密封垫片800依次摆放至分料平台上；

S2、通过人工智能操作平台识别分料平台上的零件，并基于待组装的模块组合体所需零件，控制机械手抓取分料平台上对应的零件并放置于对应的装配平台上；

S3、在装配平台上，通过翻转零件，将阳极板、隔膜、阴极板分别对应组装到中间双极框311、第一双极框321和第二双极框331的对应侧面；

S4、在装配平台上，将绝缘组件对应组装到第一端板101和第二端板的一侧面上；

S5、通过检测平台检测装配完成的模块组合体是否合格，针对检测不合格的模块组合体，送至产品待查区，进行人工检测。

根据上述模块化电解槽的制作方法，需配套同样的电解槽加工制造系统，该电解槽加工制造系统包括如下装置：分料平台、人工智能操作平台、装配平台、人工智能辅助工具和人工智能检测平台。

分料平台，主要用于放置中间双极框311、第一双极框321、第二双极框331、第一单极框201、第二单极框401、第一端板101、第二端板、阳极板、隔膜、阴极板、绝缘组件和密封垫片800等半成品零件。

人工智能操作平台，配备机械手，用于提取分料平台上的半成品零件，并送至对应的装配平台上，以中间双极框模块组合体310为例：机械手从分料平台上拾取中间双极框311、阳极板、隔膜和密封垫片800放置到装配平台上，由于中间双极框311两面均需要安装零件，因此，装配平台上具有翻转平台。利用机械手依次抓取阳极板、隔膜和密封垫片800，并安装到中间双极框311的对应凹槽中，从而形成中间双极框模块组合体310。另外，还配置了人工智能辅助工具，其包括在模块组装中所有用到的工具，人工智能操作平台可以使用相应的工具，送往装配平台使用。

人工智能检测平台由检测科目相应的检测工具、检测自动记录仪、存储和输出显示组成。检测合格品由人工智能检测平台送入成品区待转运至电解槽总装车间；不合格品送入产品待查区，由人工根据检测平台提供的数据进行处理。

本发明提供的一种模块化电解槽的制作方法，采用了人工智能生产装置和方法进行生产制造，可针对本发明实施例中的模块化电解槽进行生产制造，可大幅度提高产能，降低制造成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。